引用本文
裴发根, 方慧, 杜炳锐, 钟清, 张小博, 仇根根, 何梅兴. AMT正演模拟及反演求导方法在探测冻土厚度中的应用——以青海木里地区多年冻土层为例[J]. 物探与化探, 2016,40(2): 405-410.
PEI Fa-Gen, FANG Hui, DU Bing-Rui, ZHONG Qing, ZHANG Xiao-Bo, QIU Gen-Gen, HE Mei-Xing. The application of AMT forward modeling and inversion derivation method to detecting permafrost thickness: A case study of Muli permafrost area in Qinghai Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2): 405-410.
Doi:10.11720/wtyht.2016.2.28  
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AMT正演模拟及反演求导方法在探测冻土厚度中的应用——以青海木里地区多年冻土层为例
裴发根, 方慧, 杜炳锐, 钟清, 张小博, 仇根根, 何梅兴
中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

作者简介: 裴发根(1984-),男,江西省吉水县,工程师,硕士,主要从事大地电磁测深、岩石物理与测井地质勘探工作。E-mail:peiyi4315@126.com

收稿日期: 2015-06-11
基金: 国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目“冻土带天然气水合物地球物理勘查技术”(2012AA061403)与“陆域天然气水合物勘查技术研究与集成”(GZH201400305)
摘要

作为冻土区天然气水合物重要的成藏因素——盖层冻土的厚度,其勘探方法多样且各具特点。选择性价比较高的音频大地电磁测深(AMT)为探测技术,以青海木里地区为研究对象,通过多种典型模型的AMT正演模拟,并对正演响应进行一维自适应正则化反演与分析,结果表明一维正则化反演曲线取对数求导曲线(或称地层界面分层因子曲线)可较好地划分多年冻土层底板,并在木里地区划分多年冻土厚度中取得了较好的应用效果,为冻土区天然气水合物靶区预测提供良好的支撑作用。由过井DK9的两条十字剖面研究表明,井DK9附近的多年冻土厚度起伏变化不大, 约在60~100 m之间变化,为天然气水合物的富集提供了良好的盖层条件。其中,垂直于断裂构造方向DK9-2 剖面的多年冻土厚度变化较大,约为60~100 m;平行于断裂构造方向的DK9-1 剖面的多年冻土厚度变化较小,为68~92 m。

关键词: AMT; 多年冻土; 正演; 自适应正则化反演
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)02-0405-06 doi: 10.11720/wtyht.2016.2.28
The application of AMT forward modeling and inversion derivation method to detecting permafrost thickness: A case study of Muli permafrost area in Qinghai Province
PEI Fa-Gen, FANG Hui, DU Bing-Rui, ZHONG Qing, ZHANG Xiao-Bo, QIU Gen-Gen, HE Mei-Xing
Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS, Langfang 065000,China
Abstract

The thickness of permafrost is an important hydrocarbon accumulation factor for gas hydrate in permafrost areas. There are various exploration methods with different characteristics. In this paper, with the higher cost audio magnetotelluric (AMT) as the detection technology and the Muli area of Qinghai as the study area, AMT forward modeling of numbers of typical models was carried out, then one-dimensional adaptive regularized inversion and analysis were conducted. The results show that the logarithmic derivative curve of one-dimensional regularized inversion (or called the delamination factor curve of stratigraphic interfaces) can be used to divide well the bottom boundary of permafrost. Good results of exploration permafrost thickness application in Muli area were achieved. This means can play an important role in target prediction of gas hydrate in permafrost areas. The study of two cross-sections through the Well DK9 shows that the permafrost thickness near Well DK9 changes little and the permafrost thickness is from 60 meters to 100 m, and these facts provide good conditions for the cap of the gas hydrate concentration. Detection results near Well DK9 are as follows.The permafrost thicknesses of section DK9-2 that is perpendicular to the direction of faults is from 60 meters to 100 m. The permafrost thicknesses of section DK9-1 that is parallel to the direction of faults is from 68 meters to 92 m.

Keyword: AMT (Audio Magnetotelluric); permafrost; forward; adaptive regularized inversion

天然气水合物矿藏自1965年初前苏联发现之日起, 由于其污染小、燃烧值高、储量丰富, 被世界各国视为石油天然气的替代能源。天然气水合物分布于深海沉积物或陆域永久冻土中, 我国是第三大永久冻土大国, 冻土总面积为2.15× 106 km2[1], 主要分布在青藏高原与东北的北部地区, 具备了良好的天然气水合物成矿条件与找矿前景。多年冻土天然气水合物的形成需要满足四个基本条件:充足的烃类气源、地下水, 适当的温度与压力; 烃类气源和地下水也许与多年冻土无关, 但温度和压力条件与多年冻土有密切的关系, 受到多年冻土的热状态、厚度及其层下地热梯度等控制和影响[2, 3]。一般说来, 多年冻土层越厚对天然气水合物的成藏越有利, 如果多年冻土退化、温度升高、压力降低则可能导致下伏水合物分解。因此, 对多年冻土层底板深度的探测成为关键。

国内外对冻土层厚度与底板的探测方法较多, 归纳起来主要有以下三类方法:电(磁)法、地温与电阻率等测井和探地雷达(GPR)。电磁法探测冻土包括常规的直流电测深、音频大地电磁、瞬变电磁法等, 如:利用电阻率成像技术研究山地永冻土的分布[4, 5], 在漠河地区, 利用电测深方法与瞬变电磁法拟地震成像法探测获取了永久冻土层的分布规律[6, 7], 在青海省温泉冻土区应用瞬变电磁法对永冻土层进行了探测[8]。测井探测冻土主要应用地温测井与电阻率测井, 如:有利用测井的视电阻率曲线解释冻土层厚度[9], 利用测井资料划分冻土厚度和底(顶)界深度[10, 11], 在青海木里地区, 利用测温和电阻率常规测井进行冻土层解释[12]。

同时, 多种勘探方法优势互补, 应用于冻土区的勘查, 如在季节性冻土区与多年冻土区, 利用冻结与融化土壤、岩石的物性差异, 应用电阻率法、电磁法、自然电位法、GPR等方法解决冻土区的水文地质问题[13]。在青藏高原东部温泉地区, 用GPR及瞬变电磁测深法分别对冻土上限及冻土下限进行探测, 该方法组合可用于探测0~100 m 范围内多年冻土分布及厚度的探测[14]。各种勘探方法各具特点, 如测井方法较准确, 但需钻探, 欠经济; 直流电测深及TEM电磁虽然较为经济, 但受探测深度限制; 低频探地雷达的低信噪比问题严重。针对青海木里多年冻土的特点, 选用性价比高、适合大比例尺圈定多年冻土层分布的音频大地电磁测深(AMT)为技术手段, 开展多年冻土层厚度的研究。笔者以AMT正演为基础, 对典型模型的AMT正演响应进行了一维正则化反演, 并对其反演结果进行分析, 最后讨论了青海木里实测AMT数据的一维与二维反演在冻土层厚度探测中的应用效果。

1 模型构建基础
1.1 研究区概况

研究区位于青海省祁连山冻土区南缘的木里煤田聚乎更矿区内, 该地区属高海拔地区, 海拔4 026~4 128 m, 丘陵地形, 呈现南高北低的地貌特征。多年冻土发育, 其构造单元属中祁连盆地的木里坳陷西端, 出露的地层除第四系外, 主要包括中侏罗统江仓组和木里组[15]。江仓组以黑色、灰色油页岩(页岩)、泥岩为主, 夹灰色粉砂岩、细砂岩、中粒岩; 木里组以灰色、灰白色粉砂岩、细砂岩、中砂岩、(含砾)粗砂岩为主, 夹深灰色泥岩(油页岩)。

1.2 模型分层电阻率选取

青海木里地区常年平均气温为-5.3 ℃, 发育多年冻土。依据该地区53个钻孔的测井资料分析:冻土段的电阻率比非冻土段平均高约三倍[11], 且通过近些年电法勘探的研究表明, 该区的多年冻土层下分布着低阻层体。考虑季节天气变化的影响, 表层1~2 m范围内含有季节性冻土层, 因此, 该区从上至下地层的基本电性结构模型为(低阻融化层)— 高阻多年冻土层— (过渡层)— 低阻层— 一般岩层。

AMT数据采集使用的仪器是V5-2000, 为使正演模拟频率与实际探测工作相一致, 正演响应选择的频率范围为11 000~1 Hz, 频点数取为60个, TE/TM模型截断误差均选为10-10, 正演模拟与反演选用的软件是大地电磁反演软件MT Pioneer, 其中, 一维反演方法选用了自适应正则化反演[16]。

2 正演模拟与分析

AMT的正演响应研究主要见于探测铁路隧道[17]、断层[18]与找水[19]等方面, 在探测多年冻土厚度方面的研究较少。本次研究依据木里研究区的特点, 开展三种典型模型的AMT正演响应与反演结果分析:第一类是高阻盖层下伏低阻层, 即高阻多年冻土层— 低阻层— 一般岩层, 第二类是高阻盖层— 过渡层— 低阻层— 一般岩层, 第三类则是依据木里工区电性特征简化的实测AMT数据模型。

2.1 高阻盖层下伏低阻层

由图1a可知, 对于高阻覆盖层下的低阻层(10 Ω · m), 利用一维正则化反演电阻率求导曲线的极值点(或称为地层界面分层因子曲线的极值点, 对应为一维正则化反演电阻率曲线的拐点)能较好地划分第一分界面与第二分界面。由图1b可知, 对于高阻覆盖层下的一般低阻层(100 Ω · m), 利用一维正则化反演电阻率求导曲线的极值点能较好地划分第一分界面, 分界面深度比实际模型略深; 对第二分界面的划分出现较大误差, 比实际模型深几十米。

图1 高阻盖层下伏低阻层Model 1(右)及其一维反演曲线(左)

针对高阻盖层下伏低阻层Model 1一维反演分层对比可知, 对于高阻覆盖下的低阻层, 其由高阻至低阻的第一界面深度可利用地层界面分层因子曲线的极值点较好地划分, 且上下层之间的电性差异越大, 分层效果越好, 而第二界面(即低阻层的底界面)的划分比实际模型深。

2.2 高阻盖层— 过渡层— 低阻层— 一般岩层

对于电性差异较小的500— 250— 100 Ω · m层状模型, 地层界面分层因子曲线在第一界面处未有极值, 即地层界面分层因子未能识别电性差异较小的中— 高阻层界面, 而第二界面处有极植点, 能较好地划分中— 低阻层的分层界面, 利用地层界面分层因子曲线极值划分的第三界面(500— 250— 100 Ω · m)比实际电性模型深。

由图1与图2可知, 对于高阻覆盖下的低阻层, 利用地层界面分层因子曲线能较好地划分中阻或高阻层与低阻层的分界面及其对应的深度, 而低阻层的下界面则比实际模型深, 即低阻层的底板在深度上具有“ 放大” 效应, 其“ 放大” 作用的范围可能与低阻层的规模有一定对应关系。

图2 高阻盖层— 过渡层— 低阻层— 一般岩层Model 2(右)及其一维反演曲线(左)

2.3 简化实测AMT模型

依据青海木里地区多年电磁法勘探研究, 近似简化了两类AMT冻土区电性结构模型:①地表无季节性冻土, 第一层为高阻的多年冻土层, 模型简化为500— 50— (200)— 25 Ω · m层状结构电性模型, 如图3; ②地表有季节性冻土, 第一层为融化的冻土层, 为一薄层, 约为2 m, 25— 500— 50— (200)— 25 Ω · m层状结构电性模型, 如图4。

图3 高阻— 低阻— (中阻)— 低阻Model 3(右)及其一维反演曲线(左)

图4 低阻— 高阻— 低阻— (中阻)— 低阻Model 4(右)及其一维反演曲线(左)

在图3a中, 选择地层界面分层因子能较好地划分高阻层至低阻层的第一分界面, 受低阻层“ 放大” 的影响, 地层界面分层因子划分的第二界面与第三界面比实际模型深。

在图3b中, 利用地层界面分层因子的极小值点可较好地划分第一分界面, 比实际略深, 而针对Model 3-2电性模型第二分界面则无法划分, 可能是由于第二层与第三层电性差异较小引起。

由图4a的一维反演结果可知, 利用地层界面分层因子划分浅表低阻层至高阻层分界面较为困难, 其与浅表低阻层厚度过小有关, AMT一维反演在浅表的分辨率大于2 m, 因而要划分厚度较小的层状介质误差较大; 但对于高阻层至低阻层的第二分界面划分还是较为准确的, 对薄低阻层下的多年久冻土底板的判别是可信的。

由图4b的一维反演结果知, 浅表低阻至高阻界面较难确定, 但利用地层界面分层因子同样可以较为准确地划分高阻层至低阻层的分界面, 进而可以确定冻土层的底板深度。

综上所述, 依据青海木里研究区的电性结构特点, 模拟了以上两种类型的电性结构模型, 无论浅表是否含有融化的低阻层影响, 利用地层界面分层因子曲线的极值点均可较好地划分高阻层至低阻层的地层分界面, 即利用实测音频大地电磁测深数据一维反演得到的地层界面分层因子曲线, 可划分青海木里地区多年久冻土层的底板深度, 进而圈定木里研究区的多年冻土层的厚度。

3 木里研究区实例

以青海木里地区为例, 开展了多年冻土的底板深度的研究, 选取了过井DK9两条十字剖面, 其中DK9-2剖面走向为南西— 北东, 垂直于断裂构造, DK9-1剖面平行于断裂构造, 走向为北西— 南东。

由图5可知, 测点DK9C一维反演的地层界面分层因子得到井DK9下方的多年冻土层底板深度为84 m, 其划分结果与过井DK9的AMT剖面的二维反演划分结果、地温测井与电阻率测井曲线划分结果具有较好的对应关系。无论从正演模拟与一维反演结果分析, 还是从AMT实测数据的分析均表明, 利用地层界面分层因子对多年冻土层的的底板深度的确定是可行可靠的。

图5 过井DK9的AMT剖面与DK9测井曲线划分冻土厚度对比注:c图中, 红线为视电阻曲测井曲线, 黑线为地温测井曲线, 绿线为近似拟合地温曲线

本次多年冻土的厚度确定主要依据两个步骤:①依据单点的自适应正则化一维反演得到的地层界面分层因子确定测点的多年冻土底板深度; ②将一维反演得到的冻土底板深度标识在二维反演电性结构模型上, 依据二维电性模型电阻率的高低变化趋势的特征, 圈定DK9-2和DK9-1两条十字剖面多年冻土厚度。

由DK9-2剖面AMT二维反演模型与多年冻土的底板深度分布图(图6a)可知, 该剖面的多年冻土的底板深度基本分布范围在60~100 m之间, 在井DK9下方的冻土层厚度约为84 m, 周边冻土层厚度较厚, 为84~91 m, 且在DK9井周边的中深部横向电性差异大, 反映了断裂或裂缝构造较为发育, 为其提供了烃源气体运移通道。

图6 过井DK9剖面AMT二维反演模型与多年冻土的底板深度分布

由DK9-1剖面AMT二维反演模型与多年冻土的底板深度分布图(图6b)可知, 该剖面的多年冻土厚度的分布范围在68~92 m之间, 相比于DK9-2剖面, 其多年冻土厚度变化较小, 电性横向连续分布, 分层性较好。两条十字剖面在井DK9下方均含有较厚的冻土层厚度, 且DK9周边含有电性分界面, 发育断裂构造, 为天然气水合物的富集提供了运移通道及良好的盖层条件。

4 结论

以青海木里冻土区为研究对象, 通过AMT正演模拟与木里工区实例研究, 得到以下几点结论与认识。

1)由典型冻土模型的AMT正演模拟可知, 无论浅表是否含有融化的季节性冻土层的影响, 利用地层界面分层因子曲线的极值点均能较好地划分高阻层至低阻层的地层分界面, 即能划分多年冻土层的底板深度。

2)通过青海木里研究区AMT实例分析, 利用一维反演的地层界面分层因子划分的多年冻土的底板和测井资料划分的冻土结果具有较好的对应关系。

3)结合一维与二维AMT反演模型, 利用地层界面分层因子划分了DK9附近的十字剖面的多年冻土底板深度, 其深度约在60~100 m之间, 为天然气水合物的富集提供了良好的盖层条件。

4)在层间差异较小的电性结构模型中, 利用地层界面分层因子曲线无法达到准确分层的效果, 因而在其他研究区的分层应用时应考虑这个因素。此外, 在本次研究中, 应用于划分多年冻土的测井数据过少, 有待于加强测井资料的收集, 进一步开展测井资料与AMT实测数据的对比研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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